基于Landsat 8数据的海表温度反演方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于Landsat 8数据的海表温度反演方法及系统。该方法包括：读入Landsat 8光学与热红外遥感图像及与其对应的大气廓线数据；基于水体与海水发射率数据，结合Landsat 8热红外传感器TIRS的光谱响应函数，以大气廓线为驱动，模拟在不同大气状况、不同海表温度与发射率等组合条件下TIRS两个通道在大气层顶的通道亮温；利用获得的大气柱水汽含量，将大气柱水汽含量分为若干区间，并结合劈窗算法构建各个水汽含量区间的海表温度反演算法，进而计算海表温度并输出结果。该系统包括遥感影像读入模块、大气水汽数据读入模块、数据处理模块和海表温度反演模块。本发明专利技术能够获取高精度的海表温度。

【技术实现步骤摘要】
基于Landsat8数据的海表温度反演方法及系统
本专利技术涉及遥感热红外
，更具体涉及一种基于Landsat8数据的海表温度反演方法及系统。
技术介绍
海表温度(SeaSurfaceTemperature，SST)是海面进行长波辐射和湍流通量交换的直接驱动力。海表温度表征了海表在不同状态下的热辐射信息与时空变化，作为重要的基础性参量，其已广泛的应用于各个领域，包括全球气候变化、大区域能量平衡、大气环流、海表温度热异常，冰川融雪等。由于海洋表面复杂多样性，海表温度往往随时间和空间具有显著的变化。随着各个领域对具有时空连续性的海表温度产品需求量的增加，传统的海面站点式测量方式已经无法满足需求。庆幸的是，遥感技术，特别是热红外遥感技术的发展以及地面热辐射机理的研究深入，为进行全球尺度与区域尺度长时间序列海表温度的测量提供了可能。从遥感观测到的热红外数据来反演海表温度可以追溯到上世纪七十年代，并引起了科学界的广泛关注。通过多年的研究与应用，科学界就遥感反演海表温度的精度基本达成一致，海面温度控制在0.5K以内。但是，由于从海表到达卫星传感器的辐射同时包含了海表和大气信息，所以从热红外数据直接反演海表温度必须同时消除海表本身的发射率效应和大气效应，而这并非易事。截止目前，基于热红外的辐射传输方程，根据不同的传感器设置与假设，人们已发展了多种消除发射率与大气效应的海表温度反演方法。2013年初发射的Landsat8卫星搭载了新型的热红外传感器(TIRS)，其100m的空间分辨率和两个热红外波段的设置为劈窗算法反演海表温度提供了新的思路。但是，到目前为止，高精度海表温度算法未被提出，阻碍了高精度海表温度产品的生产。因此，发展一种基于Landsat8热红外数据的可操作性强的高精度海表温度反演方法具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是如何利用Landsat8热红外遥感数据构建海表温度反演方法，获取高精度的海表温度。为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种基于Landsat8热红外数据的海表温度反演方法，用于实现海表温度的获取，所述方法包括以下步骤：S1：读入Landsat8光学与热红外遥感图像，并读入与Landsat8影像对应的大气廓线数据；S2：基于水体与海水发射率数据，结合Landsat8热红外传感器TIRS的光谱响应函数，以大气廓线为驱动，模拟在不同大气状况、不同海表温度与发射率等组合条件下TIRS两个通道在大气层顶的通道亮温，获得各个大气廓线对应的水汽含量，形成能够覆盖多种大气状况下的模拟数据集；S3：基于得到的模拟数据集，利用获得的大气水汽含量，将大气水汽含量分为若干区间，并结合劈窗算法构建各个水汽含量区间的海表温度反演算法，进而计算海表温度并输出结果。进一步地，作为较佳的实施例，对上述各步骤说明如下：S1：在全球范围内选择了美国环境预报中心NCEP(NationalCentersforEnvironmentalPrediction)海洋表面大气廓线库，提取其中的各层气压、海拔高程、温度、湿度信息；输入：全球范围的海域内选择了NCEP2.5°×2.5°海洋表面的56个样点在2013年和2014年每月15日12:00的大气廓线，共计1344条；输出：各条大气在1000，925，850，700，600，500，400，300，250，200，150，100，70，50，30，20与10hpa共17层气压的高程、气温和湿度参数。S2：基于水体与海水发射率数据，结合Landsat8热红外传感器ThermalInfraredSensor(TIRS)的光谱响应函数，以S1中获得的NCEP大气廓线为驱动，利用大气辐射传输方程模型MODTRAN模拟在不同大气状况、不同海表温度与发射率等组合条件下TIRS两个通道在大气层顶的通道亮温，从而形成能够覆盖多种大气状况下的代表性模拟数据集；输入：S1处理获得的NCEP大气廓线、海水发射率、海表温度、Landsat8\TIRS两个热红外通道光谱响应函数。处理：海表与大气耦合热辐射传输模拟。输出：不同大气状况、不同海表温度与发射率组合下的Landsat8/TIRS传感器两个热红外通道在大气层顶的通道亮温，以及S1中各个大气廓线对应的水汽柱含量。S3：基于步骤S2得到的模拟数据集对应的地表温度、发射率、通道亮温等信息，利用步骤S2获得大气柱水汽含量，将大气柱水汽含量分为若干区间，并结合劈窗算法的基本原理构建了各个水汽含量区间的海表温度反演算法。输入：S2步骤获得Landsat8/TIRS传感器两个热红外通道在大气层顶的通道亮温模拟数据集以及S1中各个大气廓线对应的大气水汽柱含量；处理：构建基于大气水汽含量的海表温度反演新型劈窗算法；输出：0～2.5g/cm2，2.0～4.0g/cm2，3.5～6.0g/cm2以及>5.5g/cm2各个水汽含量区间对应的劈窗算法的系数及其模型误差。本专利技术还提供一种基于Landsat8热红外数据的海表温度反演系统，包括遥感影像读入模块、大气水汽数据读入模块、数据处理模块和海表温度反演模块；所述遥感影像读入模块读入Landsat8光学与热红外遥感图像，并将其传送给所述数据处理模块；所述大气水汽数据集读入模块读入与Landsat8影像对应的NCEP大气廓线数据，将其传送给所述数据处理模块；所述数据处理模块计算读入的Landsat8热红外通道亮温，利用光学影像标示出云像元和陆地像元，并利用Landsat8热红外影像的地理位置和观测时间从读入的NCEP大气廓线数据中获得所对应的水汽含量；所述的海表温度反演模块利用所述的数据处理模块获得的Landsat8热红外影像两个通道亮温、水汽含量调用劈窗算法计算海表温度，并输出结果。进一步地，作为较佳的实施例，上述各模块的功能进一步说明如下：遥感影像读入模块：读入：Landsat8热红外光学与热红外遥感影像；大气水汽数据读入模块：读入：读入与Landsat8影像对应的NCEP大气廓线数据数据处理模块：输入：Landsat8热红外光学与热红外遥感图像；Landsat8影像地理位置与观测时间；NCEP大气廓线数据处理：热红外遥感影像陆地与云像元去除，利用影像定标系数计算Landsat8热红外通道亮温；通过空间和时间插值从NCEP大气廓线提取与Landsat8影像匹配的大气水汽含量数据；输出：Landsat8两个热红外通道亮温，大气水汽含量海表温度反演模块输入：Landsat8两个热红外通道亮温，大气水汽含量处理：通过大气水汽含量确定劈窗算法的系数，并利用Landsat8通道亮温计算海表温度输出：海表温度及辅助信息与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：本专利技术提供了一种基于Landsat8热红外数据的海表温度反演方法，该方法能够获取高精度的海表温度，并且计算流程简单，易于操作；在定性评价方面，提供了100m空间分辨率的高精度海表温度数据；在定量评价方面，最终的海表温度估算的模型精度在低水汽和中高水汽含量(<4.0g/cm2)的条件下优于0.5K。附图说明图1为本专利技术的一个较佳实施例的系统结构示意图；图2为本专利技术的一个较佳实施例的技术流程图；图3为本专利技术使用的大气廓线中水汽含量与底层大气温度直方图；图4本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于Landsat 8热红外数据的海表温度反演方法，其特征在于，包括如下步骤：1)读入Landsat 8光学与热红外遥感图像，并读入与Landsat 8影像对应的大气廓线数据；2)基于水体与海水发射率数据，结合Landsat 8热红外传感器TIRS的光谱响应函数，以大气廓线为驱动，模拟在不同大气状况、不同海表温度与发射率等组合条件下TIRS两个通道在大气层顶的通道亮温，获得各个大气廓线对应的水汽含量，形成能够覆盖多种大气状况下的模拟数据集；3)基于得到的模拟数据集，利用获得的大气水汽含量，将大气水汽含量分为若干区间，并结合劈窗算法构建各个水汽含量区间的海表温度反演算法，进而计算海表温度并输出结果。

【技术特征摘要】
1.一种基于Landsat8热红外数据的海表温度反演方法，其特征在于，包括如下步骤：1)读入Landsat8光学与热红外遥感图像，并读入与Landsat8影像对应的大气廓线数据；2)基于水体与海水发射率数据，结合Landsat8热红外传感器TIRS的光谱响应函数，以大气廓线为驱动，模拟在不同大气状况、不同海表温度与发射率等组合条件下TIRS两个通道在大气层顶的通道亮温，获得各个大气廓线对应的水汽含量，形成能够覆盖多种大气状况下的模拟数据集；3)基于得到的模拟数据集，利用获得的大气水汽含量，将大气水汽含量分为若干区间，并结合劈窗算法构建各个水汽含量区间的海表温度反演算法，进而计算海表温度并输出结果。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1)所述大气廓线数据为美国环境预报中心NCEP海洋表面大气廓线数据，从中提取各层气压、海拔高程、温度、湿度信息。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤2)利用大气辐射传输方程模型MODTRAN进行所述模拟，得到大气层顶的辐亮度Ii和亮温Ti：其中，B()为普朗克函数；SST为海洋表面温度，针对于每一条大气廓线底层气温Tair0，SST设置为8个等级，即SST＝Tair0+[-10,-5,0,5,10,15,20,25]K；εi为海洋表面在第i通道的发射率。4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤2)通过空间和时...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦其明，任华忠，杜宸，何连，孟晋杰，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京,11